Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy gia công cắt gọt kim loại

dàng. Sơ đồ điều khiển đơn giản dễ thực hiện. Momen tải cho phép của hệ không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh, phù hợp với đặc điểm của hệ truyền động quay chi tiết máy mài 3K225B. 3.1.1.2. Các phƣơng án truyền động theo nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng a. Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ): Hệ F-Đ là hệ truyền động mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thƣờng do động cơ sơ cấp điều khiển là động cơ không đồng bộ ba pha quay và coi tốc độ máy phát là không đổi . Sơ đồ nguyên lý đƣợc thể hiện trên Hình 3.3 Tính chất của máy phát điện đƣợc xác định bởi 2 đặc tính từ hóa. Sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải. Sự phụ thuộc của điện áp trên 2 cực máy phát vào dòng tải Các đặc tính này là phi tuyến, trong tính toán ta có thể tuyến tính hóa các đặc tính này. 26 Khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh đƣợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì đƣợc giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. * Nhận xét: Ƣu điểm: chỉ tiêu chất lƣợng của hệ F - Đ về cơ bản tƣơng tự chỉ tiêu của hệ điều chỉnh điện áp phần ứng. Ƣu điểm nổi bật của hệ F - Đ là chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn, thực hiện đảo chiều quay dễ dàng . Hệ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh đƣợc cả 2 phía, kích thích máy phát và kích thích động cơ. Nhƣợc điểm: Nhƣợc điểm lớn nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là phải dùng 2 máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp UktU UKF ikf DK F Đ UF = UD I MS Ikd UKĐ U dk Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ 27 đặt máy ít nhất gấp 3 lần động cơ chấp hành, giá thành lắp đặt cao, cồng kềnh. Ngoài ra các máy phát một chiều có từ dƣ, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ. b. Hệ truyền động xung áp - động cơ điện một chiều ( XA-Đ ): Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phƣơng pháp giảm áp cũng có thể đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp xung áp . Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách đóng ngắt động cơ vào nguồn một cách có chu kỳ với tần số cao . Khi đó điện áp đƣa vào động cơ sẽ đƣợc băm nhỏ . Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng Uƣ, Iƣ và sức điện động của động cơ khi đóng và ngắt liên tục khóa S sẽ đƣợc xác định nếu biết trƣớc luật đóng ngắt khóa và các thông số của mạch . Sơ đồ khóa điều khiển thể hiện trên Hình 3.4. Hệ điều chỉnh xung áp cũng có thể thực hiện việc đảo chiều động cơ bằng sơ đồ bộ điều chỉnh xung áp loại B kép (Hình 3.5) + _ C TC TF V0 L D0 Tải Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý của khoá điều khiển S trong hệ điều chỉnh xung áp mạch đơn 28 +V N S1 _ S2 D 1 D 2 L U D i R E S3 S4 D 4 D 3 0 M Hỡnh 3.5: sơ đồ nguyên lý truyền động đảo chiều điều chỉnh xung ỏp loại B kộp * Nhận xét: Hệ điều chỉnh xung áp có momen tới hạn lớn làm việc nhịp nhàng phù hợp với cơ cấu tải nâng hạ, độ nhạy cao, tác động nhanh… Hệ sử dụng các bộ khóa điện tử, nó đƣợc sử dụng khi đó có sẵn nguồn một chiều cố định cần phải điều chỉnh đƣợc điện áp ra tải. Các bộ băm xung áp một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn một chiều với tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện là các van bán dẫn . Do đó khi chúng làm việc trong mạch một chiều các loại Tiristor thông thƣờng không đƣợc khóa lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn nhƣ khi làm việc với nguồn xoay chiều . Do đó trong mỗi sơ đồ cần phải có một mạch chuyên dùng để khóa Tiristor gọi là “khóa cƣỡng bức”, gây nhiều khó khăn khi thực hiện trên thực tế . Vì vậy, hiện nay với dải công suất vừa và nhỏ ngƣời ta sử dụng các loại van bán dẫn điều khiển đóng ngắt nhƣ Tranzitor MOSFET, IGBT… riêng với dải công suất lớn ta vẫn phải sử dụng Tiristor. Mặt khác hiệu suất của hệ thống sẽ rất nhỏ khi dải điều chỉnh lớn, độ an toàn, tin cậy kém, tồn tại trên sách vở hiều hơn trên thực tế. Vậy không nên sử dụng phƣơng pháp này để thay thế hệ truyền động quay chi tiết của máy mài bởi hệ có dải điều chỉnh lớn. Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý truyền động đảo chiều đ chỉnh xung áp loại B kép 29 c. Hệ thống chỉnh lƣu - động cơ điện một chiều ( T - Đ ) Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều . Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp mạch kích từ của động cơ, thông qua các bộ biến đổi bằng Tiristor. Hệ truyền động đƣợc thể hiện trên Hình 3.6 Trong hệ T - Đ bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lƣu điều khiển hoặc bán điều khiển có sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của góc điều khiển . tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà ta có thể dùng các sơ đồ chỉnh lƣu thích hợp . Phân biệt các sơ đồ dựa vào : Số pha : 1 pha, 3 pha, 6 pha… Sơ đồ nối : hình tia, hình cầu… Số nhịp : Số xung áp đập mạch trong từng chu kỳ của điện áp nguồn. Khoảng điều chỉnh : là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ. Chế độ năng lƣợng : chỉnh lƣu, nghịch lƣu phụ thuộc… Tính chất dòng tải là liên tục hay gián đoạn Đối với hệ truyền động quay chi tiết máy mài, không yêu cầu đảo chiều quay động cơ . Do đó trong phần giới thiệu này ta không đề cập tới các hệ chỉnh lƣu có đảo chiều và các hệ nghịch lƣu. Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ CKT Uđkt Uđk ĐC M M 30 * Đặc tính của hệ T - Đ Trong hệ T - Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lƣu Tiristor, dòng diện chỉnh lƣu cũng chính là dòng điện phần ứng của động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lƣu phụ thuộc vào phƣơng thức điều khiển và tính chất của tải . Trong truyền động điện tải của chỉnh lƣu thƣờng là cuộn kích từ ( tải R-L ) hoặc mạch phần ứng động cơ ( tải R-L-E ). Phƣơng trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chộ độ dòng liên tục : M k R k E dm u dm d . ).(. cos. 2 0 Độ cứng đặc tính cơ của hệ là : R k dm 2 ).( trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ ( gồm điện trở phần ứng động cơ, và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ ). Tốc độ không tải lý tƣởng phụ thuộc vào giá trị của góc điều khiển : dm d k E . cos.0 0 Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tƣởng chỉ là giao điểm của trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ kéo dài . Thực tế do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý tƣởng của đặc tính là lớn hơn. Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trƣờng hợp này đƣợc thể hiện trên Hình 3.7. Khi điều chỉnh ở vùng dƣới tốc độ định mức, các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn hệ F - Đ vì có sụt áp do hiện tƣợng chuyển mạch của các Tiristor . Góc điều khiển càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ . Khi đó M Hình 3.7. Họ đặc tính cơ hệ T-Đ Biên liên tục = 0 1< 2< 3 1 3 2 31 đặc tính cơ hạ thấp, ứng với một momen cản Mc tốc độ động cơ sẽ giảm. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ khi phụ tải nhỏ, do góc điều chỉnh lớn, các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong đƣờng gạch chéo của đƣờng đặc tính cơ). Đó là vùng dòng điện gián đoạn . Góc điều khiển càng lớn ( khi điều chỉnh sai ) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn. Trong thực tế tính toán hệ T - Đ ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đƣờng phân cách giữa 2 vùng dòng điện gián đoạn và dòng liên tục . Biên giới giữa 2 vùng này có dạng Elip với các trục là các trục của đƣờng đặc tính cơ. 1 ) p cos p sin p (U L.I p sin p U E 2 m2 c 2 m2 Về bản chất, chế độ dòng điện gián đoạn xảy ra do năng lƣợng điện tích luỹ trong mạch không đủ lớn để duy trì tính chất liên tục của dòng tải khi nó giảm, lúc này góc dẫn của van sẽ nhỏ hơn p 2 với p là số xung đập mạch trong một chu kỳ . Trong trƣờng hợp giữ nguyên góc điều khiển nếu tốc độ quay còn quá cao, sức điện động động cơ lớn, góc dẫn sẽ tự động giảm làm quá trình gián đoạn tăng . Tại thời điểm I = 0 , momen điện từ của động cơ M = 0, làm giảm tốc độ động cơ . Tốc độ động cơ giảm đồng nghĩa với việc E giảm, góc dẫn tự động tăng làm giảm quá trình gián đoạn trong mạch . Vì lý do đó mà đặc tính cơ của hệ T - Đ rất dốc trong vùng dòng điện gián đoạn. Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm L của mạch và tăng số pha chỉnh lƣu p, song khi tăng số xung pha p thì mạch chỉnh lƣu càng tăng độ phức tạp cả về mạch điều 32 khiển lẫn mạch lực . Còn khi tăng trị số L sẽ làm xấu quá trình quá độ ( tăng thời gian quá độ ) và làm tăng trọng lƣợng kích thƣớc của hệ thống. * Ƣu nhƣợc điểm của hệ T - Đ Ƣu điểm lớn nhất của hệ T - Đ là điều chỉnh tốc độ êm, phạm vi điều chỉnh lớn, có thể mở máy và hãm máy liên tục ở dải công suất trung bình . Ngoài ra, còn có độ tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất rất cao . Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng nhằm nâng cao chất lƣợng các đặc tính của hệ thống . Hệ T - Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng, hệ thống có độ tin cậy cao quán tính nhỏ và hiệu suất lớn. Nhƣợc điểm chủ yếu của hệ truyền động T - Đ là : Do các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lƣu ra có biên độ đập mạch lớn, gây tổn thất lớn. Trong máy điện và ở các truyền động công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lƣới xoay chiều. Hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp khi phải điều chỉnh sai. * Kết luận: Qua những phân tích trên ta đó thấy rõ ƣu nhƣợc điểm của các hệ truyền động điều khiển động cơ điện một chiều . Đối với hệ truyền động quay chi tiết máy mài 3K225B là hệ truyền động động cơ điện một chiều công suất nhỏ, sử dụng hệ truyền động T-Đ là đơn giản hiệu quả và tin cậy hơn cả. Vì những đặc điểm của yêu cầu công nghệ ta quyết định lựa chọn hệ truyền động T - Đ không đảo chiều để điều khiển động cơ quay chi tiết máy mài 3K225B. 3.1.2. Phân tích lựa chọn mạch chỉnh lƣu Để cung cấp cho các động cơ điện một chiều từ lƣới điện xoay chiều, phải dùng các thiết bị biến đổi . Phần lớn các thiết bị biến đổi hiện nay đang 33 sử dụng là các bộ biến đổi van điều khiển . Ngƣời ta gọi thời gian mà các bộ biến đổi chỉnh lƣu cho dòng điện đi qua trong một phần chu kỳ là khoảng dẫn, hoặc khoảng thông với sụt áp trên van không lớn, và khi ngắt mạch trong phần còn lại của chu kỳ là khoảng không dẫn hoặc không ngắt. Điện áp đƣợc điều chỉnh bằng cách biến đổi thời hạn làm việc của van trong khoảng thông . Trong thực tế ngƣời ta dùng các loại van có điều khiển hạn chế, nghĩa là có thể điều khiển thời điểm đầu khoảng thông, nhƣng không thể ngắt mạch khi dòng điện chƣa giảm về không . Do đó, việc điều chỉnh điện áp bộ biến đổi van đƣợc thực hiện bằng cách biến đổi thời điểm thông van . Việc rút ngắn thời hạn trạng thái thông của van trong khoảng dẫn đƣợc đặc trƣng bởi góc thông chậm . Trị số trung bình của điện áp và dòng điện bộ biến đổi đƣợc xác định bởi các thông số của nó và sơ đồ nối . Trong thực tế có rất nhiều sơ đồ khác nhau . Tuy nhiên, theo nguyên lý và cách thiết lập, tất cả các sơ đồ điện chia thành hai loại: Các sơ đồ có đầu không(còn gọi là sơ đồ tia, sơ đồ một nửa chu kỳ )và các sơ đồ cầu(còn gọi là sơ đồ hai nửa chu kỳ ). - Trong các sơ đồ đầu không, điện áp đƣợc chỉnh lƣu là 1 nửa sóng của hệ thống điện áp xoay chiều . Đặc điểm của các sơ đồ một nửa chu kỳ là ngoài các thời gian chuyển mạch các van ứng với ( là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van tiếp sau đang bắt đầu làm việc ), dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang mở . Do đó dòng điện trong mạch phụ tải đƣợc xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì đƣợc xác định bởi độ sụt áp bên trong pha đó. - Trong các sơ đồ cầu, điện áp đƣợc chỉnh lƣu là cả 2 nửa sóng của hệ thống điện áp xoay chiều . Bên ngoài chu kỳ chuyển mạch, vẫn có 2 van làm việc đồng thời. Dòng điện phụ tải chạy liên tiếp qua 2 van và 2 pha của máy biến áp dƣới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tƣơng ứng, nghĩa 34 là dƣới tác dụng của sức điện động dây. Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều, cả 6 van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc. 3.1.2.1. Chỉnh lƣu một nửa chu kỳ Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng điện áp và dòng điện đƣợc thể hiện trên Hình 3.8 Trong đồ thị Hình 3.8b góc là góc mở của van, là góc dẫn dòng. Do tải mang tính điện cảm nên đƣờng cong dòng điện kéo dài ra khỏi khi điện áp Ud đó chuyển sang chu kỳ âm Khi Ti không dẫn dòng ta vẫn có Ud = Ed là sức điện động của tải (ở đây là sđđ của động cơ). Chế độ dòng điện của mạch là gián đoạn . Khi van dẫn dòng ta có phƣơng trình cân bằng áp : dt di LRiEU ddm sin dt di LRiEU ddsin2 2 Giải phƣơng trình theo phƣơng pháp xếp chồng ta có: Q d EU eC R E Z U iii .)sin( 2 2 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý (a) & giản đồ điện áp (b) F X R L E U2 U1 T a) 2 t t t U 1 Ud Id 0 0 0 Ed 3 1 2 b) 35 Với : 22 dd XRZ R X Q d arctgQ Hằng số tích phân C đƣợc xác định theo chế độ dòng điện. Đặt góc * tính từ thời điểm qua 0 của điện áp nguồn tạo thành Ud * = - 2 . Khi dòng gián đoạn ta có i( *) = 0, ta có quy luật dòng điện : QdQ d e U E e Z U i ** 1 2 )sin()sin( 2 )( 2 *2 Bằng cách giải phƣơng trình siêu việt ta tính đƣợc tham số U d )2()( * * * * sin 2 1 d dEdUU dmd )2()cos(cos2 2 1 ** 2 ddd EU Với d là thời gian tồn tại của dòng điện trong một chu kỳ chỉnh lƣu. d dd d R EU I Hệ số sử dụng biến áp của sơ đồ xấu : Sba = 3,09.Pd Chất lƣợng điện áp ra xấu, trị số điện áp tải trung bình lớn nhất Ud = 0,45U2 ( ứng với góc mở = 0 ) Đây là loại chỉnh lƣu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản . Tuy nhiên các chất lƣợng về kỹ thuật nhƣ : chất lƣợng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu . Do đó loại chỉnh lƣu này ít đƣợc sử dụng trong thực tế. 36 3.1.2.2. Chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ Sơ đồ nguyên lý, đồ thị điện áp chỉnh lƣu đƣợc thể hiện trên Hình 3.9 Trên sơ đồ sử dụng biến áp có điểm giữa với các thông số : sin2 202 UU )180sin(2 0 202 * UU Ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn, cho nên ở cả 2 nửa chu kỳ xung điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn . Tần số đập mạch của sơ đồ bằng 2 lần tần số đập mạch của điện áp xoay chiều. Trƣờng hợp dòng tải là gián đoạn : Khi T1 ta có phƣơng trình : d di XEiRUU dd.sin2 202 (1) Dòng id cũng có thể là dòng liên tục hoặc dòng gián đoạn. Điều nay tuỳ thuộc vào giá trị các tham số của mạch, biến đổi biểu thức (1) ta có : Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý (a) & giản đồ điện áp (b) R L U * 2 U1 T1 E T2 U2 a) t t Id 0 0 Ed 2 t U 1 Ud 0 1 Ud Id t t Dòng gián đoạn Dòng liên tục b ) 0 0 37 dd di X d E di R dU sin2 1 2 Trƣờng hợp dòng điện gián đoạn : )( E RIU dd )cos(cos 2 2UU d )()cos(cos 2 2 R EU I d Trong trƣờng hợp dòng liên tục ta có : cos 22 dU d d d R EU I Trong sơ đồ nay điện áp mà các van phải chịu là lớn nhất Ung max = 222 U . Do các van chỉ dẫn trong 1/2 chu kỳ của điện áp nguồn nên dòng trung bình qua van Itbv = 2 dI , trị số dòng hiệu dụng chảy qua van Ihd = 0,71Id . * Nhận xét: So với chỉnh lƣu 1 pha nửa chu kỳ thì sơ đồ chỉnh lƣu 1 pha 2 nửa chu kỳ có chất lƣợng điện áp tốt hơn . Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ . Đối với chỉnh lƣu có điều khiển thì sơ đồ chỉnh lƣu loại này điều khiển các van bán dẫn khá đơn giản . Tuy nhiên việc biến áp có hai cuộn dây phía thứ cấp giống nhau mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong một nửa chu kỳ, việc chế tạo biến áp phức tạp, hiệu suất sử dụng biến áp không cao Sba = 1,48Pd , mặt khác điện áp ngƣợc đặt lên van là rất lớn. 38 3.1.2.3. Chỉnh lƣu 3 pha hình tia có điều khiển Sơ đồ mạch chỉnh lƣu tia 3 pha hình tia đƣợc trình bày trên Hình 3.10. Sơ đồ mạch van gồm biến áp 3 pha phía thứ cấp đấu Y có trung tính, 3 van bán dẫn đấu theo kiểu cathode chung . Điện áp trên thứ cấp biến áp nguồn . Ua = sin.2 2U (V) . Ub = )120sin(.2 0 2U (V) . Uc = )240sin(..2 02U (V) . Từ đó ta nhận thấy rằng tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dƣơng hơn hai pha còn lại . T3 L c a b T2 T1 R E Hình 3.10. Sơ đồ chỉnh lƣu hình tia 3 pha(a) đồ thị điện áp và dò ng điện(b) E t t iƣd Ud Id Dòng điện gián đoạn Ud a2 b2 c2 Ud E t t t id I2a 0 0 0 id Dòng điện liên tục a) b) 39 Nguyên tắc điều khiển là khi anode của Tiristor nào dƣơng hơn thì Tiristor đó mới đƣợc kích mở .Thời điểm giao nhau của 2 trong 3 pha đƣợc gọi là điểm chuyển mạch tự nhiên . Vậy góc mở nhỏ nhất của sơ đồ sẽ là dịch pha 300 so với điện áp pha . Giá trị trung bình của điện áp tải : Ud = 6 5 6 2 sin..2. 2 3 U d - U = 2 ..3 cos. 2 .6.3 2 dc IXU Với Id là điện khỏng chuyển mạch : Id = R EUd ( A ) Điện áp ngƣợc cực đại đặt lên van bằng điện áp dây của thì cấp biến áp nguồn Ungmax = 2,45.U2 Dòng điện qua van trong cả 2 trƣờng hợp dòng gián đoạn hay liên tục thì dòng trung bình qua van đều bằng 3 dI . * Nhận xét : So với chỉnh lƣu một pha thì chỉnh lƣu hình tia 3 pha cho chất lƣợng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn thành phần sóng hài bậc cao nhỏ .Việc điều khiển các van bán dẫn tƣơng đối đơn giản . Do dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp là một chiều do biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn Sba = 1,35.Pd . Với sơ đồ này thì bắt buộc phải dùng biến áp . Điện áp ngƣợc đặt trên van lớn bằng 2,45U2 . Đối với tải yêu cầu điện áp lớn thì việc chọn van gặp khó khăn . 40 Khi công suất tải lớn so với biến áp nguồn cấp sẽ gây mất đối xứng cho nguồn lƣới . Sơ đồ chỉnh lƣu tia 3 pha thƣờng đƣợc sử dụng với loại tải có yêu cầu không quá cao về chất lƣợng điện áp một chiều . Đối với loại tải có điện áp một chiều định mức là 220 V thì sử dụng sơ đồ có ƣu điểm hơn tất cả . Bởi vì theo sơ đồ này khi chỉnh lƣu trực tiếp từ lƣới 220V thì điện áp một chiều lớn nhất đạt đƣợc là 220V.1,17 = 257,4 V . Để có điện áp một chiều 220V không nhất thiết phải chế tạo biến áp mà chỉ cần chế tạo 3 cuộn kháng anode của van là đủ. 3.1.2.4. Chỉnh lƣu cầu một pha a. Chỉnh lƣu cầu một pha đối xứng Mạch chỉnh lƣu cầu một pha có điều khiển gồm 4 van bàn dẫn T1 T4 . Trong đó, T1, T3 là nhóm cathode chung, T2, T4 là nhóm anode chung . Nguồn xoay chiều đƣa vào mạch có thể lấy trực tiếp từ lƣới hoặc thông qua biến áp. 41 Nguyên lý hoạt động : Trong nửa chu kỳ đầu từ 0 điện áp đặt vào anode T1 dƣơng, điện áp đặt vào cathode T2 âm, nếu có xung đồng thời kích mở cho cả 2 van thì cả hai van sẽ mở đặt điện áp lƣới vào tải . Nửa chu kỳ tiếp theo 2 điện áp nguồn đổi dấu anode của T3 dƣơng , cathode T4 âm, nếu có xung kích mở cho cả 2 van thì chúng sẽ thông . Điện áp ra trên tải là một chiều trùng với chiều của nửa chu kỳ trƣớc, vì điện cảm trong mạch tải nên thực tế dòng Id là liên tục . Chỉnh lƣu cầu một pha có chất lƣợng điện áp ra hoàn toàn giống nhƣ chỉnh lƣu tia 2 pha, hình dạng các đƣờng cong điện áp và dòng điện tải, dòng qua các van bán dẫn có hình dạng nhƣ trên đồ thị Hình 3.11. Dòng điện qua các van giống nhƣ sơ đồ chỉnh lƣu 1 pha 2 nửa chu kỳ. Việc điều chỉnh đồng thời các cặp van T1, T2 và T3, T4 có thể thực hiện bằng việc sử dụng biến áp xung có 2 cuộn thứ cấp. a) T1 T2 T3 T4 E L R Hình 3.11.Sơ đồ nguyên lý (a) & giản đồ điện áp (b) chỉnh lƣu cầu 1pha t t 0 0 Ed 2 t U 1 Ud 0 1 UT1 Id t t b) 0 42 * Tính toán Ud, Id, ITbv, Ungmax : - Tải R, chế độ dòng gián đoạn ( 0 ) : 2 )cos1( 2 )cos1(22 )cos1( 2 sin2 1 0222 dd UUUdUU Với : Udo = 0,9U2 - Tải R - L dòng liên tục : coscos 22 sin2 1 0220 dd UUdUU - Tải R-L-E dòng liên tục : Giả sử T1 ,T2 đang dẫn ta có phƣơng trình : d di XERiU ddsin2 2 d d I i dd did E di R dUU sin2 1 20 ERIU dd Trong đó : cos 22 d d U U - Dòng qua tải : Z U I dd - Dòng trung bình qua van : 2 d Tbv I I - Điện áp ngƣợc đặt lên van : 22max .2 UUU mng 43 b. Chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng Hình 3.12a . Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng Id Id Id Id Id id iD2 iD1 i2 iT2 iT1 Ud Hình 3.12 b. Giản đồ điện áp chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng Trong sơ đồ này, các điôt D1, D2 vẫn mở tự nhiên ở đầu các nửa chu kỳ : D1 mở khi u2 âm, D2 mở khi u2 dƣơng. Các tiristo mở theo góc . Tuy nhiên các van khoá theo nhóm : D1 dẫn sẽ làm T1 ( cùng nhóm cathode chung ) khoá, T1 dẫn thì D1 bị khoá . Tƣơng tự D2 dẫn thì T2 khoá và ngƣợc lại, T2 dẫn thì D2 khoá . Do vậy ta có các giai đoạn là : - Trong khoảng : T1 D2 dẫn, ud = u2 Ud D1T1 U2 T2 D2 44 - Trong khoảng )( : D1 D2 dẫn, D1 dẫn ở và làm T1 khoá, T2 chƣa dẫn nên D2 còn mở chƣa khoá. - Trong khoảng 2)( : T2 D1 dẫn, T1 dẫn làm D2 khoá, ud = - u2 - Trong khoảng )2(2 : T2 D2 dẫn. Ta lại thấy có 2 đoạn có van mắc thẳng hàng dẫn với nhau là D1 D2, tải lại bị ngắn mạch nên vẫn có ở các giai đoạn này : ud = 0 Dạng điện áp ud : Ud = 0.9 U2 2 cos1 ; Id = d d R U Xong đồ thị dẫn của van cho thấy chúng vẫn không đều nhau: Tiristo dẫn trong khoảng )( , Điôt dẫn trong khoảng )( Vì vậy dòng trung bình qua van là : 22 1 ddT IdII 2 IdI 2 1 I ddD * Nhận xét: Chỉnh lƣu cầu một pha đƣợc sử dụng khá rộng rãi trên thực tế nhất là đối với loại tải có điện áp lớn hơn 10(v), dòng tải có thể lên tới 100A . Ƣu điểm của mạch là có thể không cần biến áp . Do có hai van dẫn dòng lên có sụt áp trên cả hai van làm cho sơ đồ này không thích hợp với dải điện áp thấp. Trong sơ đồ cầu dòng điện phía thứ cấp biến áp nguồn không có thành phần một chiều do mỗi pha nguồn đƣợc nối với 2 van, mỗi van dẫn dòng theo một chiều chỉnh lƣu cầu tốt hơn chỉnh lƣu tia về chỉ tiêu này . Hiệu suất biến áp Sba=1,38Pd . Đối với tải có điện áp và dòng điện nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu một pha là hợp lý bởi hệ số điện áp ngƣợc của van nhỏ, dễ chọn van hơn . Chỉnh lƣu 45 cầu một pha có điều khiển đƣợc dùng nhiều cho các loại tải có làm việc ở chế độ nghịch lƣu hoàn trả năng lƣợng về nguồn nhƣ động cơ điện một chiều. 3.1.2.5. Chỉnh lƣu cầu 3 pha a. Chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển đối xứng Nguyên lý hoạt động Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển đối xứng Hình 3.14a có thể coi nhƣ 2 sơ đồ chỉnh lƣu tia ba pha mắc ngƣợc chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lƣu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anode, còn T2,T4,T6 là một chỉnh lƣu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm cathode, 2 chỉnh lƣu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anode (+), một xung ở nhóm cathode (-)) . Ví dụ tại thời điểm t1 trên Hình 3.14b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anode, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T1 của pha B phía cathode các thời điểm tiếp theo cũng tƣơng tự . Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha. Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đƣợc chạy từ pha có điện áp dƣơng hơn về pha có điện áp âm hơn . Ví dụ trong khoảng t1 t2 pha A có điện áp dƣơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dƣợc chạy từ A về B . Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (anode hay cathode) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau . Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 t3 nhƣ trên Hình 3.13b Tiristor T1 nhóm anode dẫn, nhƣng trong nhóm catot T4 dẫn trong khoảng t1 t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 t3 . 46 R T1 T3 T5 L T6 T4 T2 E A B C A X1 X2 X3 X4 X5 X6 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Ud Uf I1 I3 I5 I2 I4 I6 0 UT1 E a. b. Hình 3.13 . a - sơ đồ động lực, b - giản đồ các đƣờng cong cơ bản Điện áp ngƣợc các van phải chịu ở chỉnh lƣu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá . Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 ( đƣờng cong cuối cùng của Hình 3.13b ) trong khoảng t1 t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3 t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngƣợc UBA, đến khoảng t5 t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngƣợc UCA. 0 1235 47 Khi điện áp tải liên tục, nhƣ đƣờng cong Ud trên Hình 3.13b trị số điện áp tải đƣợc tính theo công thức : Ud = Udo.cos Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn . Khi góc mở các Tiristor =900 với tải thuần trở) . Trong các trƣờng hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngƣợc nên chúng tự khoá. Sự phức tạp của chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển đối xứng nhƣ đã nói trên là cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa . Để đơn giản hơn ngƣời ta có thể sử dụng điều khiển không đối xứng . * Ưu nhược điểm: Chất lƣợng điện áp đầu ra tốt nhất trong các phƣơng pháp chỉnh lƣu dùng đƣợc cho cả tải có xả năng lƣợng về lƣới. Sơ đồ điều khiển phức tạp , số van sử dụng nhiều b. Chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển không đối xứng Nguyên lý hoạt động Loại chỉnh lƣu này đƣợc cấu tạo từ một nhóm (anode hoặc cathode) điều khiển và một nhóm không điều khiển nhƣ mô tả trên Hình 3.14a . Trên Hình 3.14b mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lƣu (đƣờng cong trên cùng), sóng điện áp tải Ud (đƣờng cong nét đậm thứ hai trên Hình 3.14b), khoảng dẫn các van bán dẫn T1, T2, T3, D1, D2, D3 . Các Tiristor đƣợc dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp . Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2) . Trong trƣờng hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor đƣợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu . Các diot tự động dẫn 48 thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều . Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng t4 t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A trong khoảng t4 t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 t6. Chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. b. Hình 3.14. Chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển không đối xứng a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đƣờng cong Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Ngƣời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lƣu tia ba pha. A B C A X1 X2 X3 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Ud Uf T1 T2 T3 D1 D2 D3 0 E R T1 T3 T5 L T6 T4 T2 E cos1(max) 2 3 cos1(max) 2 33 dftb UU 49 Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển dễ dàng hơn, nhƣng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn . So với chỉnh lƣu cầu ba pha điều khiển đối xứng, thì trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn đƣợc thực hiện đơn giản hơn . Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lƣu này nhƣ điều khiển một chỉnh lƣu tia ba pha. * Nhận xét Qua quá trình phân tích các sơ đồ mạch chỉnh lƣu ta thấy sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu 1 pha không đối xứng có nhiều ƣu điểm đáp ứng tốt các yêu cầu của hệ truyền động điện máy mài 3K225B với động cơ quay chi tiết có công suất thấp ( 0,76 KW ). Vì vậy ta chọn sơ đồ chỉnh lƣu có điều khiển cầu một pha không đối xứng làm sơ đồ thiết kế. 3.1.3. Tính toán lựa chọn mạch lực Sau khi phân tích một số sơ đồ chỉnh lƣu, chúng ta đã lựa chọn đƣợc sơ đồ phù hợp để thay thế mạch lực của hệ truyền động quay chi tiết . Đó là sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng. Sơ đồ mạch lực : 220v ckt rtt cl Ck sb § RR CC §1 §2 TH1 TH2 Hình 4.1 . Hệ truyền động quay chi tiết máy mài tròn trong 3K225B 50 Các thông số cho trƣớc : Uktđm = 220 V Phạm vi điều chỉnh tốc độ : D = 10/1 Động cơ có công suất : Pđm = 0,76 KW Tốc độ : n = 2500 v/ph Điện áp : Uƣđm = 220 V Công suất kích từ : Pkt = dmP. 10 1 = 76 W Điện áp kích từ : Ukt = 220 V 3.1.3.1. Tính chọn van Điện áp ngƣợc mà van phải chịu: Ung= Ud/kU.knv = (220/0,9). 1,41 = 344,66 V Dòng điện làm việc của van tính theo dòng hiệu dụng : Ilv = Ihd = Id/2 với Id = Pđm/Ud.ỗ = (760/220.0,85)= 4,06 A Ilv = 2,03 A * Chọn điều kiện làm việc của van Có cánh tản nhiệt và đủ diện tích toả nhiệt, không có quạt làm mát.Với điều kiện này, dòng làm việc của van cần chọn hệ số dự trữ: kI = 1,2. Idmv = kI.Ilv = 4.2,03 = 8,12 A. Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho khi chỉnh lƣu là điện áp, dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn - Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn. - Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lƣợng tốt hơn. - Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn - Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn 51 - Loại van nào có thời gian truyền mạch bé hơn thì sẽ nhẹ hơn Vậy chọn 2 Tiristo loại : KY243A Ungmax = 400 V Iđm = 10 A Các thông số còn lại của động cơ : - Điện cảm phần ứng động cơ đƣợc tính theo công thức : Với : Kl là hệ số lấy giá trị là 5,5 ~ 5,7, đối với máy không bù Kl = 1,4 ~ 1,9 đối với máy có bù Chọn Kl = 1,8. P là số đôi cực : P =2 Lƣ = dmudm udml nPI UK .. . = 0,0195 H. - Sức điện động của động cơ: Eđm = Uđm- Iƣ.Rƣ = 220 – 4,06.4,06 = 203,5 V. 3.1.3.2. Tính chọn cuộn kháng lọc a. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại : Chọn góc mở cực tiểu 100 là góc dự trữ để có thể bù đƣợc sự suy giảm điện áp lƣới thì điện áp trên tải là lớn nhất, tƣơng ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất nđm=nmax. Khi max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin=Ud0.cos jmax tƣơng ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất nmin. Ta có α max= arcos(Udmin/Ud0). Với Udmin đƣợc xác định từ dải điều chỉnh: Ta có : D = min max n n = uudmdmin uudmddmax .RIU .RIU = 250 2500 =10 Udmin = D 1 . udmddmax .R1).I(DU 52 = D 1 . udm min d0 .R1).I(D 2 cosα1 .U = 10 1 061).4,06.4,(10 2 cos101 220. =34,6 (V) 0 max 80,9/220)arcos(34,6α Vậy góc maxα = 80,9 0 ứng với điện áp động cơ là nhỏ nhất. b. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc : - Sự đập mạch của điện áp chỉnh lƣu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lƣợng dòng điện 1 chiều, nếu tải là động cơ 1 chiều sẽ làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải cho các thành phần sóng hài. - Thông thƣờng đánh giá ảnh hƣởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu dụng của sóng hài bậc nhất, bởi vì sóng hài bậc nhất chiếm tỷ lệ vào khoảng ( 2 ~ 5)% dòng điện định mức của tải. - Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch đƣợc tính theo biểu thức sau: Ll = ddm dn IImK U %.....2 100. * 1 max Trong đó: Ll : trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết Henry Idđm : dòng điện định mức của bộ ching lƣu A Idđm = 4,06 A. ω = 314: tần số 1/s góc. K = 1,2,3…bộ số sóng hài. +Đối với sơ đồ chỉnh lƣu điều khiển không đối xứng, khi góc điều khiển α nhỏ thành phần sóng hài với K =2, và K.m = 6. - I*1% : trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lƣu. Tri số này cho phép I*1% <10%. 53 - Udnmax : biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lƣu Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lƣu Udnmax xác định theo công thức: α.tg.mK1. 1.mK 2.cosα U U 222 22 d dnmax o Với: Ud0: điện áp chỉnh lƣu cực đại = 220V. max : góc điều khiển bán dẫn khi góc điều khiển là cực đại: maxα = 80,9 0 . Udnmax = Ud0.0,13 = 28,6 V. Ll = 0,026H. .4,06.6.3,14.102 28,6.100 Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc Lckl để lọc thành phần dòng điện đập mạch đƣợc tính theo công thức: Lckl = Ll – Ld – Lba Với : Ld = 0,01H 2500.23,14.4,06. 0,1.30.220 .P.ηπ.I .30.UK dmdm dmd . ( Kd = 0,1: động cơ có cuộn bù) Lba = 0 vì không sử dụng biến áp Lckl = 0,016 H. c. Thiết kế kết cấu cuộn kháng : Các thông số ban đầu : )(016,0 HL Dòng điện qua cuộn kháng : )A(06,4II dmm Biên độ dòng điện xoay chiều bậc một :I 1m = 0,1Idm = 0,406(A) 1. Do điện cảm của cuộn kháng rất lớn, điện trở của cuộn dây rất nhỏ, ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của nó : )(159,3010.16.6.50.2....2 3kkk LfXZ Với = 6 số xung đập mạch trong 1 chu kỳ. 54 2. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc : )(488,26 2 406,0 .268,92 2 1 V I ZU mk 3. Công suất cuộn kháng lọc : )(6,7 2 406,0 .488,26 2 1 VA I US m 4. Tiết diện cực từ chính cuộn kháng lọc : )(954,0 50.6 6,7 6 . . 2cm fm S kQ q Chuẩn hoá tiết diện lõi thép ta chọn : )0,98(cmQ 2 Lõi thép là loai III 12 x 10 có: a = 12(mm) b =10(mm) c = 12(mm) h = 30(mm) C = 48(mm) H = 42(mm) Hình dạng lõi thép đƣợc thể hiện trên Hình 4.2 Khi có thành phần dòng xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm suất hiện một sức điện động tự cảm : Q.B'.f.W.44,4E tk Với f.6f.'f Gần đúng ta có thể coi )v(26UE ckk Chọn T,BT 80 )vßng( .,.,...,Q.B'.f., E W T k 51 108480506444 26 444 4 Chọn W = 51 (vòng) 5. Thành phần dòng điện chạy qua cuộn kháng là : )6cos(II)t(i 1m1d b h H c c a C Hình 4.2 : Hình dạng lõi cuộn kháng lọc a/2 55 Dòng hiệu dụng qua cuộn kháng : )A(07,4 2 406,0 06,4 2 I II 2 2 2 m12 dk 6. Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J = 2,7(A/mm2) 7. Tiết diện dây quấn : )mm(5,1 7,2 07,4 J I S 2k k Chuẩn hát tiết diện theo dây dẫn tròn : d = 1,4(mm) S = 1,5394(mm) mcu = 13,7(g/m) Rcu = 0,0113( /m) khi tính đến cách điện : dn = 1,5(mm) Tính lại mật độ dòng điện : )mm/A(64,2 5394,1 07,4 S I J 2 k k 8. Tính số vòng trên một lớp : Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây là : )mm(1h g )vßng( , , d hh kW n g ld 17 51 230 90 2 1 9. Số lớp dây : )líp( W W n k 3 17 51 1 Bố trí dây : mỗi lớp có 17 (vòng) Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quần với trụ : )mm(d 101 Chọn khoảng cách cách điện ngoài cùng : )mm(dn 1 Cách điện giữa các lớp là : )mm(1,0cd 1 56 10. Bề dầy cuộn dây : )mm(,).,,(n).cdd(Bd 84310511 11. Chiều rộng cửa sổ cần thiết : )mm(,,ddBdc nth 86118401 Vậy mạch từ chọn là phù hợp 12. Chiều dài của dây quấn : )mm()].,(.[W)].dd(ba.[l kndq 27545115121012222 01 )m(,ldq 7542 13. Điện trở dây quấn : )(,,.,l.RR dqcuL 030754201130 Ta có thể bỏ qua điện trở của dây quấn Vậy cuộn kháng tính toán là phù hợp 3.1.4. Bảo vệ quá điện áp cho van bán dẫn Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristo đƣợc thực hiện bằng cách mắc RC song song với Tiristo. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngƣợc trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngƣợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anôt và catôt của Tiristo . Khi có mạch RC mắc song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phúng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristo không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm ta chọn R = 33 /10W, C = 4,7 F /600V C T R 57 3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.2.1. Khái quát về mạch điều khiển Tiristor 3.2.1.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lƣợng và độ tin cậy của bộ biến đổi yêu cầu đặt ra đối với mạch điều khiển : Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha với góc điều khiển tƣơng ứng . Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều chỉnh min max tƣơng ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực Cho phép bộ chỉnh lƣu làm việc bình thƣờng với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu nhƣ chế độ khởi động , chế độ hãm… Có độ đối xứng xung điều khiển tốt không vƣợt quá 00 31 điện Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lƣới điện xoay chiều thay đổi cả về giá trị điện áp và tần số trong phạm vi cho phép . Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dƣới 1ms . Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lƣu từ phía điều khiển ngắt xung điều khiển khi sự cố thông báo các hiện tƣợng không bình thƣờng của lƣới và bản thân bộ chỉnh lƣu ..v.v… Đảm bảo các xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van , thoả mãn các yêu cầu : - Đủ công suất : dòng áp điều khiển . - Có sƣờn xung dốc đứng . - Độ rộng đủ để dòng qua van kịp vƣợt I duy trì Yêu cầu về lắp ráp vận hành Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. Mỗi khối có khả năng làm việc độc lập … 58 3.2.1.2. Lựa chọn mạch điều khiển a. Điều khiển bằng mạch tƣơng tự Sơ đồ khối của mạch điều khiển tƣơng tự ( Hình 5.1 ) Khâu đồng pha Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra một điện áp có góc lệch pha cố định với điện áp đặt lên van ( thƣờng tạo ra điện áp tựa Urc ( thƣờng là điện áp răng cƣa tuyến tính)). Khâu so sánh Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa dạng răng cƣa tuyến tính hoặc hình sin nhằm định thời điểm phát xung điều khiển, thƣờng đó là thời điểm khi 2 điện áp này bằng nhau. Đây là khâu xác định góc điền khiển. Khâu tạo xung Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van . Xung điều khiển van có yêu cầu sƣờn trƣớc dốc đứng để đảm bảo yêu cầu van mở tức thời khi có xung điều khiển ( thƣờng gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật ) đủ công suất , cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực Đồng pha So sánh Tạo xung Udk Ti Hình 5.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển 59 b. Điều khiển bằng mạch số Mạch điều khiển số đƣợc thiết lập trên nguyên tắc biến đổi mã số thành các tín hiệu dịch chuyển theo nguyên tắc thời gian ( ). .Nguyên lý điều khiển: Trong mạch điều khiển tạo xung đồng hồ (Xdh )có tần số cao. Khi điện áp anode của Ti đổi dấu dƣơng thì tiến hành đếm xung đồng hồ . Số lƣợng xung đếm (nXdh) không đổi cho mỗi chu kỳ . Khi đủ số lƣợng xung đếm thì phất xung điều khiển Ti . Ti đƣợc mở tại thời điểm phát xung điều khiển. 3.2.2. Thiết kế mạch điều khiển 3.2.2.1. Khối đồng pha + Sơ đồ : CL1 BAX 220V 10V Hình 5.3 . Khối đồng pha Nguyên lý làm việc Mạch lấy xung đồng pha đƣợc lấy từ nguồn 220V, tần số f = 50 Hz, phía thứ cấp lấy 10V. Biến áp thứ cấp đƣơc nối với một chỉnh lƣu tạo điện áp đập mạch (-) liên tục. Đồng pha Đếm xung X dh KĐTX Uđ k T i Hình 5.2 . Sơ đồ khối điều khiển bằng mạch số 60 3.2.2.2. Khối tạo xung răng cƣa + Sơ đồ : r4 ®1 ®zvr1r3 3 4 ic3 ic4 +ucc1 c1r1 r2 2 r5 vr2 cc1-u Hình 5.4 . Khối tạo xung răng cƣa Nguyên lý làm việc Mạch tạo xung răng cƣa dùng KĐTT đƣợc xây dùng trên nguyên tắc sử dụng mạch tích phân . Quá trình phóng nạp của tụ đƣợc thực hiện nhờ nguồn nạp cho tụ là nguồn hai cực tính . Khi điện áp đầu vào mang dấu (+), điện áp trên tụ sẽ đƣợc nạp. Bằng cách thay đổi thời gian phóng , thời gian nạp và các giá trị điện trở một cách tƣơng ứng , ta có thể thay đổi đƣợc dạng điện áp răng cƣa : dốc lên, dốc xuống hay xung tam giác. 3.2.2.3. Khối so sánh + Sơ đồ r7 ic1 r6 - + ic2 -u cc1 vr5 r12 vr3 r10 r11 CL2 vr4c3 ft Hình 5.5 . Khối so sánh 61 Các xung ở đầu ra của bộ so sánh đƣợc phối hợp với các xung cao tần để tạo ra xung đơn đƣa vào khối khuếch đại xung. Các xung điều khiển đƣợc khuếch đại đạt công suất và biên độ thoả mãn điều kiện mở van. 3.2.2.4. Khối khuếch đại xung +ucc2 ®4 t1 7 5 bax g2 g1 k1 k2 ®8 ®7 ®6 ®5 r8 ®3 t2 r9 ®2 C2 6 Hình 5.6 . Khối khuyếch đại xung Bộ khuếch đại xung đƣợc dùng ở đây là sơ đồ dùng cặp Tranzistor T1, T2 mắc kiểu Dalingtơn . Lúc này cặp Dalingtơn đƣợc coi là tƣơng đƣơng với một tranzistor mới. Chức năng của mạch do T1 quyết định, còn T2 có tác dụng khuếch đại dòng ra. Hoạt động của sơ đồ Đầu vào là tín hiệu logic. Khi có xung vào xv = 1 thì tranzistor T1 mở kéo theo T2 mở bão hoà. Khi không có xung vào xv = 0 thì T1 khoá nên T2 cũng khoá. Khi có xung dƣơng đặt vào bazơ của T1 làm cho T1 thông thì T2 thông điện áp ( + Ec ) đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung, ở thứ cấp của biến áp xung sẽ có xung ra kích mở Điôt . Đ5 Đ6 62 Điện trở R8 hạn chế dòng colector, điôt Đ3 hạn chế quá điện áp trên các cực colector – emitor của Tranzitor . Điôt Đ5 và Đ8 ngăn chặn xung áp âm có thể có Tranzitor bị khoá . Ta có sơ đồ điều khiển và giản đồ điện áp tại các điểm đo U U®k U t t t t U U U U t t Hình 5.7 . Giản đồ điện áp tại các điểm đo Ta chọn các phần tử trong mạch điều khiển nhƣ sau : Ucc1 = 15 V +Ucc2 = 24 V Biến áp xung : 220V/ 10V R1 = R2 = R5 = R6 = R7 = R9 = R10 = R11 = R12 = 10 K R3 = 22 K 63 R4 = 4,7 K R8 = 33 VR1 = 22 K VR2 = 1 K VR3 = VR4 = VR5 = 10 K C1 = 0,33 F C2 = 0,1 F C3 = 4,7 F Đ1 = Đ2 = Đ3 = Đ4 = Đ5 = Đ6 = Đ7 = 1 A IC1 = IC2 = IC3 = IC4 = A 741 T1 = C828 T2 = K4611 64 KẾT LUẬN Sau ba tháng nhận đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy gia công cắt gọt kim loại”. Thông qua bản đồ án này đã giúp em hiểu thêm về một cách nhìn tổng quan của một hệ thống điều khiển, cách thiết kế, lựa chọn thiết bị cho một sơ đồ điện thông qua các phƣơng pháp nhƣ đã nêu ở trong bản đồ án nhƣng còn rất nhiều vấn đề mà em chƣa giải quyết đƣợc nhƣ là tìm hiểu về cách lắp ghép bằng máy tính để theo dõi và điều khiển hệ thống. Em sẽ cố gắng tìm hiểu qua nhiều tài liệu để khắc phục những kiến thức vẫn còn thiếu để hoàn chỉnh thêm bản đồ án này Trong quá trình thực hiện đề tài này chúng em đã gặp rất nhiều khó khăn do bị hạn chế về kiến thức cũng nhƣ thời gian thực hiện đề tài nhƣng nhờ sự hƣớng dẫn tận tình của Th.S Nguyễn Đoàn Phong nên cuối cùng em đã hoàn thành bản đồ án đúng thời hạn. Em xin chân thành cám ơn thầy! 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải - Trần Trọng Minh (2001), Điện tử công suất , Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật. 2. Phạm Quốc Hải - Dƣơng Văn Nghi (2003), Phân tích và giải mạch điện tử công suất , Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật. 3. Phạm Minh Hà (1997), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật. 4. Vũ Quang Hồi - Nguyễn Văn Chất - Nguyễn Thị Liên Anh (2000), Trang bị điện – Điện tử máy công nghiệp dung chung, Nhà Xuất Bản Giáo Dục. 5. Phạm Quốc Hải (2009), Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật. 6. Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh (2009), Điện tử công suất Lý thuyết – Thiết kế - Ứng dụng. Tập I, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật. 66 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG CỦA CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRÊN CÁC MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ................................................... 2 1.1. PHÂN LOẠI CÁC MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ................................ 2 1.2. CÁC CHUYỂN ĐỘNG TÊN MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ............... 3 1.3. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG THƢỜNG SỦ DỤNG TRONG MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ................................................................................. 3 1.4. CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƢNG CHO CHẾ ĐỘ CẮT GỌT TRÊN CÁC MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ............................................................. 4 1.4.1. Chuyển động chính ........................................................................ 4 1.4.1.1. Tốc độ cắt ................................................................................. 4 1.4.1.2. Lực cắt ...................................................................................... 5 1.4.1.3. Công suất cắt ............................................................................ 5 1.4.2. Chuyển động ăn dao ....................................................................... 6 1.4.2.1. Tốc độ ăn dao ........................................................................... 6 1.4.2.2. Lực ăn dao ................................................................................ 6 1.4.2.3. Công suất ăn dao ...................................................................... 6 1.4.3. Thời gian máy ................................................................................ 6 1.5. PHỤ TẢI CỦA ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CÁC CƠ CẤU ĐIỂN HÌNH TRONG CÁC MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI ................................... 7 1.5.1. Truyền động chính ......................................................................... 7 1.5.1.1. Cơ cấu chuyển động quay ........................................................ 7 1.5.1.2. Cơ cấu chuyển động tịnh tiến .................................................. 8 1.5.2. Truyền động ăn dao ........................................................................ 8 1.6. TỔN HAO TRONG MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI .............................. 9 1.6.1. Phụ tải định mức ........................................................................... 9 67 1.6.2. Phụ tải thay đổi ............................................................................. 9 1.6.3. Phụ tải thay đổi ........................................................................... 10 1.7. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ TRONG CÁC MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI .... 10 1.7.1. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ ............................................. 10 1.7.1.1. Điều chỉnh cơ ......................................................................... 10 1.7.1.2. Điều chỉnh điện ...................................................................... 11 1.7.1.3. Điều chỉnh điện – cơ .............................................................. 11 1.7.2. Các chỉ tiêu chất lƣợng khi điều chỉnh tốc độ .............................. 11 1.7.2.1. Phạm vi điều chỉnh ................................................................. 11 1.7.2.2. Độ trơn điều chỉnh ................................................................. 12 1.7.2.3. Sự phù hợp giữa đặc tính của hệ thống và đặc tính của phụ tải ...... 12 CHƢƠNG 2. TRANG BỊ ĐIỆN MÁY MÀI ............................................... 14 2.1. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ ................................................................ 14 2.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TRANG BỊ ĐIỆN CỦA MÁY MÀI ........................................................................................ 16 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN THAY THẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .............................................. 18 3.1. XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN THAY THẾ MẠCH ĐỘNG LỰC ...... 18 3.1.1. Các phƣơng án điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều .......... 18 3.1.1.1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ........... 19 3.1.1.2. Các phƣơng án truyền động theo nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng ............................................................................................. 25 3.1.2. Phân tích lựa chọn mạch chỉnh lƣu .............................................. 32 3.1.2.1. Chỉnh lƣu một nửa chu kỳ ...................................................... 34 3.1.2.2. Chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ ......................................... 36 3.1.2.3. Chỉnh lƣu 3 pha hình tia có điều khiển .................................. 38 3.1.2.4. Chỉnh lƣu cầu một pha ........................................................... 40 3.1.2.5. Chỉnh lƣu cầu 3 pha ............................................................... 45 68 3.1.3. Tính toán lựa chọn mạch lực ........................................................ 49 3.1.3.1. Tính chọn van ......................................................................... 50 3.1.3.2. Tính chọn cuộn kháng lọc ...................................................... 51 3.1.4. Bảo vệ quá điện áp cho van bán dẫn ............................................ 56 3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN...................................................... 57 3.2.1. Khái quát về mạch điều khiển Tiristor ......................................... 57 3.2.1.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển ........................................... 57 3.2.1.2. Lựa chọn mạch điều khiển ..................................................... 58 3.2.2. Thiết kế mạch điều khiển ............................................................. 59 3.2.2.1. Khối đồng pha ........................................................................ 59 3.2.2.2. Khối tạo xung răng cƣa .......................................................... 60 3.2.2.3. Khối so sánh ........................................................................... 60 3.2.2.4. Khối khuếch đại xung ............................................................ 61 KẾT LUẬN .................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 65